Dimostrato un legame tra entanglement quantistico e termalizzazione

Conosciamo tutti bene la termalizzazione: basti pensare a come il caffè raggiunge la temperatura ambiente nel tempo. L'entanglement quantistico invece è una storia diversa. Eppure il lavoro svolto da Marlon Brenes ed il professor John Goold del Trinity, in collaborazione con Silvia Pappalardi e il professor Alessandro Silva del SISSA in Italia, mostrano come i due siano indissolubilmente legati.

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Come i supercomputer hanno aiutato a collegare l’entanglement quantistico al caffè freddo

I fisici teorici di Trinity hanno trovato un legame profondo tra una delle caratteristiche più sorprendenti della meccanica quantistica – l’entanglement quantistico – e la termalizzazione, che è il processo in cui qualcosa entra in equilibrio termico con l’ambiente circostante.

I loro risultati sono stati pubblicati il 31 gennaio 2020 sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters.

Conosciamo tutti bene la termalizzazione: basti pensare a come il caffè raggiunge la temperatura ambiente nel tempo. L’entanglement quantistico invece è una storia diversa.

Eppure il lavoro svolto da Marlon Brenes ed il professor John Goold del Trinity, in collaborazione con Silvia Pappalardi e il professor Alessandro Silva del SISSA in Italia, mostrano come i due siano indissolubilmente legati.

Spiegando l’importanza della scoperta, il professor Goold, leader del gruppo QuSys del Trinity, spiega: “L’entanglement quantistico è una caratteristica controintuitiva della meccanica quantistica, che consente alle particelle che hanno interagito tra loro ad un certo punto nel tempo di essere correlate in un modo che non è possibile classicamente. Le misurazioni su una particella influiscono sui risultati delle misurazioni dell’altra, anche se distanti anni luce. Einstein definì questo effetto ‘azione spettrale a distanza’“.

Si scopre che l’entanglement non è solo inquietante ma in realtà onnipresente e in effetti ciò che è ancora più sorprendente è che viviamo in un’epoca in cui la tecnologia sta iniziando a sfruttare questa funzionalità per eseguire imprese che si pensavano impossibili solo fino a pochi anni fa. Queste tecnologie quantistiche stanno venendo sviluppate rapidamente nel settore privato da aziende come Google e IBM“.

Ma cosa c’entra tutto questo con il caffè freddo?

Il professor Goold spiega:

Quando prepari una tazza di caffè e la lasci per un po’, si raffredda fino a raggiungere la temperatura dell’ambiente circostante. Questa è la termalizzazione. In fisica diciamo che il processo è irreversibile: come sappiamo, il nostro caffè una volta caldo non si raffredda e quindi si scalda magicamente. Come l’irreversibilità e il comportamento termico emergano nei sistemi fisici è qualcosa che mi affascina come scienziato poiché si applica su scale piccole come gli atomi, sulle tazze di caffè e persino sull’evoluzione dell’universo stesso. In fisica, la meccanica statistica è la teoria che mira a comprendere questo processo da una prospettiva microscopica. Per i sistemi quantistici l’emergere della termalizzazione è notoriamente complicato ed è al centro di questa ricerca attuale“.

Quindi cosa c’entra tutto questo con l’entanglement e cosa dicono i suoi risultati?

Il professor Goold dice:

“Nella meccanica statistica ci sono vari modi, noti come ensemble, in cui puoi descrivere come un sistema si riscalda, tutti ritenuti equivalenti quando hai un sistema di grandi dimensioni (approssimativamente su scale di 10 ^ 23 atomi). Tuttavia, ciò che mostriamo nel nostro lavoro è che non solo è presente l’entanglement nel processo, ma la sua struttura è molto diversa a seconda del modo in cui scegli di descrivere il tuo sistema. Quindi, ci dà un modo per testare le domande di base nella meccanica statistica. L’idea è generale e può essere applicata a una gamma di sistemi piccoli come pochi atomi e grandi come buchi neri”.

Marlon Brenes, Ph.D. candidato alla Trinity e primo autore dell’articolo, ha usato i supercomputer per simulare sistemi quantistici per testare l’idea.

Brenes, uno specialista numerico, spiega:

Le simulazioni numeriche per questo progetto che ho eseguito sono al limite di ciò che attualmente può essere fatto a livello di elaborazione ad alte prestazioni. Per eseguire il codice ho usato la struttura nazionale, ICHEC, e la nuova macchina Kay lì. Quindi, oltre ad essere un bel risultato fondamentale, il lavoro ci ha aiutato a spingere davvero i confini di questo tipo di approccio computazionale e a stabilire che i nostri codici e l’architettura nazionale stanno funzionando all’avanguardia“.

Riferimento: “Struttura di entanglement multipartita nell’ipotesi della termalizzazione di Eigenstate” di Marlon Brenes, Silvia Pappalardi, John Goold e Alessandro Silva, 31 gennaio 2020, Letture di recensioni fisiche .
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.040605

La ricerca del professor Goold è supportata da una borsa di studio SFI-Royal Society University Research e da una borsa di studio del Consiglio europeo.

Fonte: https://scitechdaily.com/theoretical-physicists-find-deep-link-between-quantum-entanglement-and-thermalization/